[0001] Die Erfindung betrifft hochmolekulare thermotrope voll- aromatische Polyester mit
hoher Steifigkeit, Schlagzähigkeit und günstiger Schmelzviskosität, ein Verfahren
zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung zur Herstellung von Formkörpern, Filamenten,
Fasern und Folien.
[0002] Als "thermotrop" bezeichnet man solche Polykondensate, die flüssig-kristalline Schmelzen
bilden. Sie sind hinreichend bekannt, vergleiche z.B.
[0003] F. E. McFarlane et al., Liquid Crystal Polymers II, Contemporary Topics in Polymer
Science, Vol. 2, Plenum Publishing Corporation, 1977;
[0004] W. J. Jackson und H.F. Kuhfuss, J. Polymer Science, Polymer Chem. Ed. 14, 2042 (1976);
[0005] W. C. Wooten et al. in A. Ciferri "Ultra-high Modulus Polymers", Applied Science
Publ., London 1979, S. 362 f.;
[0006] A. Blumstein et al., "Liquid Crystalline Order in Polymers", Academic Press 1978;
[0007] A. Ciferri, W.R. Krigbaum, R.B. Meyer "Polymer Liquid Crystals", Academic Press,
New York, 1982;
[0008] EP 1185, 1340, 8855, 11 640, 15 856, 17 310, 18 145, 18 709, 22 344, 44 205, 49 615;
[0009] US 3 991 013, 3 991 014, 4 066 620, 4 067 852, 4 083 829, 4 107 143;
[0010] WO 79/797, 79/1034, 79/1040.
[0011] Der flüssig-kristalline Zustand von Polymerschmelzen läßt sich mit Hilfe eines Polarisationsmikroskops
untersuchen: Für die Untersuchungen war das Okular mit einem Aufsatz ausgerüstet,
der eine Fotodiode im Brennpunkt der Okularlinse angeordnet enthielt. Anhand eines
nachgeschalteten Meßverstärkers mit Regeleinrichtung wurde der Meßwert am eingeschalteten
Mikroskop bei parallel angeordneten Nicolschen Prismen in Abwesenheit einer Materialprobe
auf 100 Skalenteile eingestellt. Bei gekreuzten Nicolschen Prismen ergab sich dann
ein Wert von 0,01 Skalenteilen.
[0012] Die Schichtdicke der untersuchten Polykondensatschmelzen betrug 100 µm.
[0013] Die Untersuchung der Polymeren erfolgte nach dem Aufschmelzen der Proben bei Temperaturen
zwischen 280 und 400°C. Sofern in diesem gesamten Bereich oder in einem Teil davon
eine Aufhellung der zwischen den gekreuzten Nicolschen Prismen beobachteten, ruhenden
Schmelze auftrat, wurde das Polykondensat als thermotrop flüssig-kristallin eingestuft.
[0014] Die flüssig-kristallinen Polykondensate zeigen in der Meßanordnung Werte über 1 Skalenteil,
meist Werte von 3 bis 90 Skalenteilen. Für amorphe Schmelzen, z.B. aromatische Polycarbonate,
wurden dagegen Werte von weniger als 0,1 Skalenteil gefunden.
[0015] Die oben beschriebene Methode ist für eine Schnellbestimmung im Laboratorium besonders
geeignet und liefert in nahezu allen Fällen zweifelsfreie Ergebnisse. In Zweifelsfällen
kann es dagegen sinnvoll sein, das Vorhandensein flüssig-kristalliner Komponenten
mittels Röntgenweitwinkelstreuung in der Schmelze nachzuweisen, wie es z.B. bei G.W.
Gray und P.A. Windsor, "Plastic Crystals, Physico-Chemical Properties and Methods
of Investigation", insbesondere Chapter 3, John Wiley & Sons, New York, Sydney, Toronto
1974 beschrieben ist.
[0016] Die DE-OS 20 25 971 betrifft hochmolekulare voll-aromatische Polyester auf Basis
von p-Hydroxybenzoesäure, aromatischen Dicarbonsäuren (wie Terephthal- und Isophthalsäure)
und Diphenolen (wie Hydrochinon oder 4,4'-Dihydroxybiphenyl). Aufgrund der verwendeten
Komponenten sind diese Polyester thermotrop. Sie können z.B. zu Fasern verarbeitet
werden. Von den 13 Polyestern der Beispiele schmilzt ein einziger unter 300°C. Diese
Polyester sind also schlecht verarbeitbar.
[0017] Formkörper, die aus flüssig-kristalliner Schmelze hergestellt werden, weisen mechanische
Festigkeiten auf, wie sie normalerweise bei unverstärkten, aus isotroper Schmelze
verarbeiteten Polykondensaten nicht gefunden werden; jedoch läßt die Zähigkeit solcher
Formkörper manche Wünsche offen (vgl. US 42 42 496, EP 44 175, W.J. Jackson jr., Brit.
Polym. J. 12, 154 (1980)). Durch eigene Untersuchungen wurde bestätigt, daß thermotrope
Polyester hoher Festigkeit in der Regel geringe Zähigkeit und thermotrope Polyester
hoher Zähigkeit in der Regel weniger ausgeprägte Festigkeit besitzen.
[0018] Aufgabe der Erfindung war es daher, thermotrope vollaromatische Polyester bereitzustellen,
die gegenüber den Polyestern der DE-OS 20 25 971 besser verarbeitbar sind und dennoch
hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen.
[0019] Bevorzugte neue thermotrope vollaromatische Polyester sollten bei einer Temperatur
unterhalb 370°C, vorzugsweise unterhalb 350°C, insbesondere unterhalb 330°C thermoplastisch
verarbeitbar sein.
[0020] Weitere Aufgabe der Erfindung war es, thermotrope voll- aromatische Polyester zur
Verfügung zu stellen, die durch thermoplastische Verformung zu Formteilen verarbeitet
werden können, welche sowohl hohe mechanische Festigkeit als auch hohe Zähigkeit besitzen.
[0021] Bevorzugte neue thermotrope voll-aromatische Polyester sollten eine Schlagzähigkeit
von mindestens 20, vorzugsweise von mindestens 30, insbesondere von mindestens 40
k
J/m
2 besitzen. Außerdem sollten diese bevorzugten Polyester eine Kerbschlagzähigkeit von
mindestens 10, vorzugsweise von mindestens 20, insbesondere von mindestens 25 kJ/m
2 haben. Weiterhin sollten diese bevorzugten Polyester einen Biege-E-Modul von mindestens
6000, vorzugsweise von mindestens 7000, insbesondere von mindestens 8000 MPa besitzen.
[0022] Überraschenderweise wurde gefunden, daß voll-aromatische Polyester, die einkondensierte
Reste von p-Hydroxybenzoesäure, Isophthalsäure und gegebenenfalls Terephthalsäure
sowie einerseits von Hydrochinon und/ oder 4,4'-Dihydroxydiphenyl und andererseits
von 3,4'- und/oder 4,4'-Dihydroxybenzophenon enthalten, die gewünschte Kombination
vorteilhafter Eigenschaften besitzen.
[0023] Gegenstand der Erfindung sind thermotrope voll-aromatische Polyester auf Basis von
(a) (gegebenenfalls substituierter) p-Hydroxybenzoesäure,
(b) Isophthalsäure und gegebenenfalls Terephthalsäure,
(c) Hydrochinon und/oder 4,4'-Dihydroxydiphenyl und
(d) 3,4'- und/oder 4,4'-Dihydroxybenzophenon,
wobei die Polyester die einkondensierten Reste
(a) in einer Konzentration von 50 bis 80, vorzugsweise 55 bis 70, insbesondere 60
bis 66 Mol-%,
die einkondensierten Reste
(c) in einer Konzentration von 15 bis 48, vorzugsweise 20 bis 41, insbesondere 20
bis 35 Mol-%,
und die einkondensierten Reste
(d) in einer Konzentration von 2 bis 30, vorzugsweise 4 bis 25, insbesondere 5 bis
20 Mol-%,
[0024] jeweils bezogen auf die Summe der einkondensierten Reste (a), (c) und (d) , enthalten,
das Molverhältnis der einkondensierten Reste b/(c+d) 0,95 bis 1,05 und der Anteil
Terephthalsäurereste an den Resten (b) maximal 30 Mol-% betragen.
[0025] Bevorzugte (a) p-Hydroxybenzoesäuren sind durch C
1-C
4-Alkyl, C
1-C
4-Alkoxy, C
6-C
10-Aryl, C
7-C
12-Alkylaryl (wie Phenyl, Tolyl, Naphthyl) oder Halogen (vorzugsweise Chlor), kernsubstituierte
p-Hydroxybenzoesäuren, wie z.B. 4-Hydroxy-2-methylbenzoesäure, 4-Hydroxy-3-methyl-benzoesäure,
2-Ethyl-4-hydroxybenzoesäure, 3-Ethyl-4-hydroxybenzoesäure, 4-Hydroxy-2-phenylbenzoesäure,
4-Hydroxy-3-phenylbenzoesäure oder 3-Chlor-4-hydroxybenzoesäure, vorzugsweise jedoch
unsubstituierte p-Hydroxybenzoesäure selbst.
[0026] Die erfindungsgemäßen Polyester können die Reste der Verbindungen (a) bis (d) in
statistischer Verteilung, in Segmenten oder in Blöcken enthalten. Betreffend Komponente
(a) ist darauf zu achten, daß längere Blöcke den Schmelzpunkt und die Schmelzviskosität
stark erhöhen können.
[0027] Als Endgruppen können die erfindungsgemäßen Polyester -COOH, -H, -OH, -OC6H5, Acyloxy
oder von Kettenabbrechern herrührende Reste enthalten. Bevorzugte Kettenabbrecher
sind monofunktionelle aromatische Hydroxylverbindungen, wie 4-Hydroxydiphenyl, p-Nonylphenol,
4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)-phenol, ß-Naphthol, und aromatische Monocarbonsäuren,
wie Diphenylcarbonsäuren und Naphthalincarbonsäuren. Kettenabbrecher können in Mengen
von 0,5 bis 5 Mol-%, bezogen auf die Summe der Komponenten a und b, eingesetzt werden.
[0028] Gegebenenfalls können auch verzweigende drei- oder höherfunktionelle - vorzugsweise
aromatische - Monomere in Mengen von 0,1 bis 1 Mol-%, bezogen auf die Summe der Komponenten
a und b, wie z.B. Phloroglucin, 1,3,5-Benzoltricarbonsäure und 3,5-Dihydroxybenzoesäure,
eingesetzt werden.
[0029] Die erfindungsgemäßen Polyester besitzen in der Regel eine inhärente Viskosität von
mindestens 0,5, vorzugsweise von mindestens 1,0, dl/g (gemessen an einer Lösung von
5 mg Polyester/ml p-Chlorphenol bei 45°C). Sollten Polyester in p-Chlorphenol unlöslich
sein, wird angenommen, daß sie die angegebene Mindestviskosität besitzen; sie sind
somit erfindungsgemäß, sofern sie den Parametern des Hauptanspruchs genügen.
[0030] Die erfindungsgemäßen Polyester besitzen vorzugsweise eine Schmelzviskosität von
weniger als 1000 Pa.s, gemessen bei einer Schergeschwindigkeit von 10
3 sec unter Verwendung einer Düse mit einem Länge/Durchmesserverhältnis von 20 bei
einer Temperatur von weniger als 360°C, vorzugsweise weniger als 330°C.
[0031] Die erfindungsgemäßen Polyester können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden,
z.B. durch Kondensation bzw. Umesterung der reaktiven Derivate, der Verbindungen (a)
bis (d) z.B. ihrer Ester bzw. Säurechloride, und anschließende Polykondensation.
[0032] Beispiele für bevorzugte Ausgangsverbindungen sind also ihre Arylester, ihre Acylester
und ihre Säurechloride.
[0033] Nach einem bevorzugten Syntheseverfahren werden die niederen Acylester, vorzugsweise
die Acetate, der Verbindungen (a), (c) und (d) mit Isophthalsäure (b) und gegebenenfalls
Terephthalsäure umgesetzt, wobei die Acylester auch in situ hergestellt werden können.
[0034] Diese Reaktionen können in der Schmelzphase durchgeführt werden; möglich ist jedoch
auch die Reaktion in Gegenwart eines flüssigen wärmeüberleitenden Mediums, das einen
hohen Siedepunkt hat.
[0035] Die Reste der Verbindungen (a) bis (d) werden im Verhältnis der Ausgangskomponenten
in den Polyester eingebaut.
[0036] Die erfindungsgemäßen Polyester sind vorzugsweise frei von Carbonatgruppen.
[0037] Es kann zweckmäßig sein, sowohl die Kondensations- bzw. Umesterungsreaktionen als
auch die Polykondensationsreaktionen katalytisch zu beschleunigen. Derartige Katalysatoren
sind bekanntlich z.B. Lewis-Säuren und Halogenwasserstoffsäuren; Oxide, Hydride, Hydroxide,
Halogenide, Alkoholate, Phenolate, Salze anorganischer oder organischer Säuren (vorzugsweise
Carbonsäuresalze) , Komplexsalze oder Mischsalze der Erdalkalimetalle, wie z.B. Magnesium,
Calcium; der Nebengruppenelemente, wie z.B. Vanadium, Titan, Mangan, Cobalt, Nickel,
Zink, Lanthan, Cer, Zirkonium oder der Elemente aus anderen Gruppen des Periodensystems,
wie z.B. Germanium, Zinn, Blei und Antimon oder auch die Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle
selbst, insbesondere Natrium, Natriumhydroxid, Lithiumacetat, Natriumacetat, Kaliumacetat,
Calciumacetat, Magnesiumacetat, Cobaltacetat, Zinkacetat, Calciumbenzoat, Magnesiumacetylacetonat,
Zinkacetylacetonat, Vanadyl-C
1-C
8-alkoxide, Titanalkoxide wie Titantetrabutylat, Titantetrapropylat, Alkoxytitansilikate,
Zirkoniumbutylat, Zirkoniumpropylat, Titantetraphenolat, Natriumphenolat, Germaniumdioxid,
Antimontrioxid, Dialkyl- und Diarylzinnoxid, Di-butylzinn-diacetat, Di-butyl-dimethoxy-zinn.
Besonders bevorzugte sind Magnesium-, Mangan-, Natrium-, Kalium- und Zinkacetat.
[0038] Die Katalysatormengen betragen vorzugsweise 0,001 bis 1, insbesondere 0,01 bis 0,2,
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der eingesetzten Monomeren.
[0039] Die erfindungsgemäßen Polyester können bei Temperaturen von 160 bis 370°C hergestellt
werden, wobei man im allgemeinen die Reaktion bei niedrigen Temperaturen beginnt und
im Verlaufe der Reaktionsfortschreitung kontinuierlich die Temperatur erhöht. Bei
nachlassender Reaktionsgeschwindigkeit kann ein Vakuum angelegt werden, wobei der
Druck vorzugsweise kontinuierlich von Normaldruck bis ca. 0,1 mbar gesenkt wird.
[0040] Das erhaltene Produkt kann - vorzugsweise in Granulatform - einer Festphasennachkondensation
unter vermindertem Druck bei Temperaturen von 200 bis 300°C unterworfen werden; nach
5 bis 25 Stunden hat sich das Molekulargewicht erhöht und die daraus resultierenden
Eigenschaften des Polyesters sind merklich verbessert.
[0041] Weiterer Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung der neuen
Polyester durch Umsetzung der Komponenten (a) bis (d) bzw. ihrer reaktionsfähigen
Derivate, die auch in situ hergestellt werden können, gegebenenfalls in Gegenwart
von Kettenabbrechern; Verzweigungsmitteln und Katalysatoren, bei Temperaturen von
160 bis 370°C, gegebenenfalls unter vermindertem Druck.
[0042] Die erfindungsgemäßen thermotropen Polyester können infolge ihrer relativ geringen
Schmelzviskosität vorteilhaft aus der Schmelze zu Spritzgußformteilen, Filamenten,
Fasern, Bändern und Filmen verarbeitet werden, wobei durch auftretende Scherkräfte
eine Molekülorientierung erzielt wird, die in hohem Maße von der Stärke der Scherkräfte
beeinflußt wird. Desweiteren zeigen sie eine ausgeprägte Strukturviskosität, das heißt,
daß die Schmelzviskosität bei Erhöhung der Scherkräfte stark abfällt. Geeignete Verarbeitungsverfahren
sind Spritzguß, Extrusion, Pressen und Schmelzspinnen.
[0043] Aus den erfindungsgemäßen Polyestern können Formteile hoher Zugfestigkeit, außerordentlicher
Zähigkeit und großer Dimensionsstabilität hergestellt werden. Da die Polyester außerordentlich
chemikalienresistent und flammwidrig sind, eignen sie sich bevorzugt zur Herstellung
von
- elektrotechnischen Artikeln, wie z.B. Isolatoren, gedruckten Schaltungen, Steckkontakten,
Armaturenteilen,
- Teilen chemisch-technischer Apparate, wie z.B. Rohren, Behälterauskleidungen, Rotoren,
Gleitlagern, Dichtungen,
- Teilen der Flugzeuginnenausstattung,
- Teilen medizinisch-technischer Geräte, wie z.B. Bauteilen von Klimaanlagen, Ventilteilen.
[0044] Die erfindungsgemäßen Polyester können aber auch als überzugs- und Beschichtungsmaterial
(pulverförmig oder dispergiert) verwendet werden. Auch zur Herstellung verstärkter
oder gefüllter Formmassen mit einem Verstärker- bzw. Füllstoffgehalt von 5 bis 65
Gew.-%, bezogen auf verstärkte bzw. gefüllte Formmasse, sind sie bestens geeignet.
[0045] Weiterer Gegenstand der Erfindung ist also die Verwendung der neuen Polyester zur
Herstellung von Formkörpern, Filamenten, Fasern und Filmen.
Beispiele
[0046] Die Prüfung der Schlagzähigkeit a und Kerbschlagzähigkeit a
k erfolgte an Normkleinstäben gemäß DIN 53 453 (ISO/R 179) bei 23°C jeweils an 10 Prüfkörpern.
[0047] Die Bestimmung der Biegefestigkeit wurde an Normkleinstäben gemäß DIN 53 452 (ISO
R 178) durchgeführt. Der Biege-E-Modul wurde gemäß DIN 53 457 ermittelt.
[0048] Die Messung der Wärmeformbeständigkeit erfolgte durch Bestimmungen der Vicat-B-Erweichungstemperatur
gemäß DIN 53 460 (ISO 306).
Vergleich 1
[0049] In ein 1 1-Planschliffgefäß mit Planschliffdeckel, Rührer, Stickstoffeinleitung und
einem Destillationsaufsatz, der mit einem Kühler verbunden war, wurden die folgenden
Substanzen eingewogen:
2,4 Mol

331,49 g p-Hydroxybenzoesäure,
1,44 Mol

239,23 g Isophthalsäure,
1,44 Mol

158,56 g Hydrochinon,
6,33 Mol

646,23 g Acetanhydrid,
0,1 g Magnesiumacetat wasserfrei und
0,15 g Antimontrioxid.
[0050] Unter Stickstoffatmosphäre wurde mittels Salzbad auf 170°C erhitzt. Sobald die Destillation
von Essigsäure nachließ (nach ca. 45 Minuten), wurde die Temperatur im Reaktionsgefäß
im Verlauf einer Stunde auf 250°C und im Verlauf einer weiteren Stunde auf 330°C erhöht.
Nach Beendigung der Destillation wurde der Druck im Verlauf von 30 Minuten bis auf
ca. 1 mbar gesenkt.
[0051] Während dieser Vakuumphase nahm die Viskosität der entstandenen Polymerschmelze stark
zu. Die Schmelze wurde daher langsamer gerührt.
[0052] Am Ende dieser Phase war eine Gesamtmenge von 709 g Essigsäure (enthält restliches
Acetanhydrid) aufgefangen worden.
[0053] Der erhaltene hell-braune Polyester wurde gemahlen und bei 250°C einer Festphasennachkondensation
unterworfen (bei einem Vakuum von ca. 1 mbar, 24 Stunden). Die inhärente Viskosität
des so erhaltenen Polyesters betrug 1,2 dl/g.
Beispiel 1
[0054] In das im Vergleich 1 beschriebene Reaktionsgefäß wurden die folgenden Substanzen
eingefüllt:

[0055] Unter Stickstoffatmosphäre wurde mittels Salzbad auf 170°C aufgeheizt. Nach einer
Stunde bei 170°C wurde die Reaktionstemperatur auf 220°C und im Verlauf von weiteren
2 Stunden auf 330°C erhöht. Nach Beendigung der Destillation wurde der Druck im Verlauf
von ca. 20 Minuten bis auf 2,5 mbar gesenkt. Während der Vakuumphase blieb das Produkt
gut rührbar. Am Ende dieser Phase war eine Gesamtmenge von 705 g Essigsäure (enthält
restliches Acetanhydrid) aufgefangen worden.
[0056] Das erhaltene hell-beige Produkt wurde gemahlen und bei 250°C einer Festphasennachkondensation
unterworfen (ca. 1 mbar/24 Stunden). Die inhärente Viskosität des so behandelten Polyesters
betrug 1,27 dl/g. Im Bereich von 320°C bis 400°C wurde eine optisch anisotrope Schmelzphase
beobachtet.
Beispiele 2 bis 10
[0057] In der in Beispiel 1 beschriebenen Reaktionsapparatur und nach dem dort beschriebenen
Verfahren wurden weitere Polyester hergestellt. Art und Menge der Ausgangsprodukte
sind in Tabelle 1 aufgeführt.
[0058] Zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften wurden aus den Polyestern des Vergleichs
1 und der Beispiele 1 bis 10 durch Spritzguß Normkleinstäbe hergestellt. In Tabelle
2 sind die gemessenen Werte aufgeführt.

1. Thermotrope voll-aromatische Polyester auf Basis von
(a) (gegebenenfalls substituierter) p-Hydroxybenzoesäure,
(b) Isophthalsäure und gegebenenfalls Terephthalsäure,
(c) Hydrochinon und/oder 4,4'-Dihydroxydiphenyl,
(d) 3,4'- und/oder 4,4'-Dihydroxybenzophenon, wobei die Polyester die einkondensierten
Reste
(a) in einer Konzentration von 50 bis 80 Mol-%, die einkondensierten Reste
(c) in einer Konzentration von 15 bis 48 Mol-%, die einkondensierten Reste
(d) in einer Konzentration von 2 bis 30 Mol-%,
jeweils bezogen auf die Summe der einkondensierten Reste (a), (c) und (d), enthalten,
das Molverhältnis der einkondensierten Reste b((c+d) 0,95 bis 1,05 und der Anteil
Terephthalsäurereste an den Resten (b) maximal 30 Mol-% betragen.
2. Polyester nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die einkondensierten
Reste
(a) in einer Konzentration von 55 bis 70 Mol-%, die einkondensierten Reste
(c) in einer Konzentration von 20 bis 41 Mol-% und die einkondensierten Reste
(d) in einer Konzentration von 4 bis 25 Mol-%,
jeweils bezogen auf die Summe der einkondensierten Reste (a), (c) und (d), enthalten.
3. Polyester nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie die einkondensierten
Reste
(a) in einer Konzentration von 60 bis 66 Mol-%, die einkondensierten Reste
(c) in einer Konzentration von 20 bis 35 Mol-% und die einkondensierten Reste
(d) in einer Konzentration von 5 bis 20 Mol-%,
jeweils bezogen auf die Summe der einkondensierten Reste (a), (c) und (d), enthalten.
4. Verfahren zur Herstellung der Polyester nach Ansprüchen 1 - 3 durch Umsetzung der
reaktionsfähigen Derivate der Komponenten (a) bis (d), die auch in situ hergestellt
werden können, gegebenenfalls in Gegenwart von Kettenabbrechern, Verzweigungsmitteln
und Katalysatoren, bei Temperaturen von 160 bis 370°C, gegebenenfalls unter vermindertem
Druck.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Festphasennachkondensation
anschließt.
6. Verwendung der Polyester nach Ansprüchen 1 - 3 zur Herstellung von Formkörpern,
Filamenten, Fasern und Filmen.